培养皿上的人脑

科学家在实验室中培育出迷你型的人脑，这种接近于人脑结构的类器官相当于9周时的胎儿大脑，可以模拟人脑的一些主要结构和功能，这一技术正在向人们展示着巨大的应用前景。

南方周末特约撰稿 汤波

干细胞不仅可以分化成不同功能的体细胞，还能在特制的三维支架上发育成与人类器官结构和功能相似的“类器官”，只是体积要远远小于实际的器官，因此也称为“迷你器官”，这其中研究最为热门的当属人类大脑的类器官。2018年年初，这种类器官技术被英国自然出版集团旗下的《自然方法》（Natrue Methods）杂志评选为2017年生物科学领域的年度技术，入选理由则如该杂志社论中指出的一样，类器官技术正在向人们展现其巨大的应用潜力。

迷你人脑

类器官并非新鲜事物，早在110多年前，就有科学家尝试在体外培养活的动物组织和器官。不过直到最近几年，随着诱导多能干细胞、3D培养等技术的发展，在培养皿上培育出来的脑、肠道、肾脏和视网膜等迷你器官，在结构和功能上越来越接近真实的人类器官，并发挥真实器官难以实现的作用。

由于小鼠等常规实验动物的神经系统与人类的存在显著差异，有些神经系统疾病是人类或灵长类特有的，如寨卡病毒引发的小头畸形，而科学家又无法对实际人脑组织和器官进行实验操作，因此科学家急需找到替代方案，以更精准地研究人脑结构与功能，神经系统疾病发病机制，以及筛选出治疗这些神经疾病的新药物及新方法。

5年前，奥地利科学院分子生物技术研究所于尔根·克诺布利希（Juergen Knoblich）教授团队率先利用3D组织培养技术，将人多能干细胞培育成与人脑结构和功能相似的人脑类器官。研究人员在普通的培养皿中诱导人的胚胎干细胞或诱导多能干细胞形成神经外胚层细胞团，接着将神经细胞团转移到一种呈半球形隆起的人工基底胶液滴上，以支撑细胞团向更复杂的组织结构发育，大约两周后，再将液滴上新生的脑组织移入一种可以不停旋转的培养装置中，以便脑组织更好地吸收营养，大约20~30天后，人脑的类器官就能形成，并含有人类大脑区域相对应的各种独特区域，如前额皮质、枕叶、海马和视网膜等等，甚至位于大脑皮质最内层的星状胶质神经细胞也能分化出功能正常的神经元。

这是科学家首次在实验室中培育出最接近人脑结构的类器官，相当于人类胎儿9周时的大小。显然人脑类器官的复杂度还无法与实际人脑相比拟，但是已经可以模拟人脑的一些主要结构和功能，展现出巨大的应用前景。

克诺布利希教授团队还利用一名严重小头畸形患者的皮肤上皮细胞诱导出多能干细胞，采用上述技术，培育出患者特有的大脑皮质类器官。该患者的大脑类器官发育比其他正常人的类器官要小得多，进一步观察发现，患者类器官中的星状胶质神经细胞在自身数量不足时即开始分化出神经元，导致神经元数量同样不足，致使类器官最终变小。研究人员还发现，该患者携带一种基因突变是导致小头畸形的主要原因，当将这种基因所表达的蛋白质添加给患者的大脑类器官时，它竟然能恢复到正常大小。这项研究显示，类器官可以作为神经系统疾病致病机理研究和治疗药物筛选的理想工具。

该研究发表在《自然》杂志上，受到国际同行和各大主流媒体的广泛关注。正因为该研究和其他研究者的突出工作，类器官技术被美国著名科普杂志《科学家》评为“2013年生命科学的重大突破”。之后，国际人脑类器官研究进入快速发展阶段。2018年1月3日，《自然方法》杂志将类器官技术评选为2017年生物科学领域的年度技术。

筛选新药

2018年8月份，克诺布利希教授团队又在《自然方法》杂志上发表最新研究成果，他和同事利用基因编辑技术，将引发恶性胶质瘤的基因突变引入正常人的诱导多能干细胞中，再将该干细胞培育成大脑类器官，这些大脑类器官最终也产生了恶性胶质瘤。研究人员还用长出肿瘤的大脑类器官验证一种正在临床试验中治疗恶性胶质瘤的药物，结果发现该药物的确能显著减少肿瘤细胞的数量，之后用大脑类器官对另外4种功能相似的候选药物进行验证，检测出其中一种也能达到同样的疗效。这项重要的研究表明大脑类器官不仅能模拟人类脑部肿瘤，还能用于新药筛选。

美国凯斯西储大学医学院保罗·特萨尔教授团队一直致力于利用干细胞技术治疗神经系统疾病。该团队利用人体胚胎干细胞、正常人和病人的诱导多能干细胞，在培养皿培育出能模拟人脑皮质的球形类器官。与之前的研究不同的是，特萨尔教授团队培育的人脑类器官，可以通过特殊的药物处理，不仅能形成神经元细胞、星形胶质细胞和少突胶质祖细胞，还首次诱导分化出能产生髓鞘的少突胶质细胞，新生的髓鞘能逐步包裹在神经元细胞周围，与正常大脑的髓鞘功能相当。该研究于7月25日发表在《自然方法》杂志。

少突胶质细胞对大脑健康至关重要。它们负责产生髓鞘，一种包裹和支持神经细胞连接的脂肪物质，就像电线周围的绝缘物一样。当髓鞘受损时，细胞不能有效地相互沟通，导致麻木，反射丧失，运动不协调和疼痛等症状。许多神经系统疾病是由髓鞘缺陷引起的，包括多发性硬化和脊髓损伤等。

该研究团队将之前评价过的、刺激髓鞘产生的两种药物作用于这种类器官，发现这些药物能显著提高少突胶质细胞产生和髓鞘形成的速率和程度。研究人员还特意从脑白质营养不良综合征患者身上采集皮肤细胞，诱导产生多能干细胞，再培育出患者的大脑类器官，结果发现类器官的脑白质营养不良指标与患者症状严重程度一致，也就是说特萨尔教授团队培育的大脑类器官具有模拟神经系统疾病的潜力。

更多的应用

2018年4月16日，美国索尔克生物研究所弗雷德·盖奇教授领导的研究小组在《自然生物技术》杂志发表最新研究成果，首次将人脑类器官移植到了小鼠的脑部，类器官成功地融入小鼠的大脑中，生长出只存在于人类大脑皮层特定区域的神经元、神经胶质细胞以及神经干细胞等人脑成分，到第14周时，这些类器官的区域已布满血管，可正常输送养分和氧气，支撑类器官存活最长达230天以上。更令人惊讶的是，类器官所产生的神经元还能与小鼠神经元形成突触，有可能相互交换信息。这是首次将人脑类器官移植到其他哺乳动物大脑中，不仅能正常存活，还能发育成人类的神经组织。这一研究结果表明人脑类器官将来有望用于脑部神经系统修复。

另据美国《科学》杂志6月20日报道，美国加州大学圣地亚哥分校的遗传学家阿里松·穆特里（Alysson Muotri）博士团队正在培养具有尼安德特人特征的人脑类器官。之前，科学家已经从出土的骨骼化石中残存的DNA拼凑出尼安德特人基因组DNA序列，与智人的基因组相比，至少有两百多个编码蛋白质的基因存在显著差异。穆特里博士更关注一个叫NOVA1的基因，它在现代人类的早期大脑发育中起重要作用，并且与自闭症和精神分裂症有关。研究人员首先从一个正常人类的皮肤培育出人诱导多能干细胞，然后通过CRISPR/CAS9技术，将人类基因组中的NOVA1基因替换成尼安德特人的基因，培育出含有尼安德特人NOVA1基因的大脑类器官。

初步研究结果显示，这种尼安德特人大脑类器官呈“爆米花”形状，而现代人类的类器官呈半球形，而且尼安德特人大脑类器官神经元细胞迁移速度比普通人脑类器官的要快。这项研究的成果尚没有正式发表，不过这显示大脑类器官在研究古人类神经发育方面也具有一定应用潜力。

值得一提的是，2016年5~6月，《科学》《细胞》和《自然》三家国际顶级学术期刊连续发表了三篇关于利用大脑类器官技术进行寨卡病毒引发小头畸形致病机理研究的重要论文，发现寨卡病毒快速侵入大脑后，会显著降低神经细胞的增殖能力、生存能力和生长速度，加速其凋亡，并逐步破坏大脑皮质层。这些研究掀起了类器官研究病毒致病机理和药物筛选的研究热潮。

伦理争议

与其他新兴生物技术一样，大脑类器官技术也存在一些伦理争议。自2013年大脑类器官培育成功之后，很多媒体和专家提出了类器官的伦理问题，比如说是否需要患者特别同意或授权研究人员用其干细胞来培育类器官；这些类器官自身会不会有感觉，如痛觉等等。

另一个争议的焦点在于，是否应该允许将人脑的类器官移植到动物体内，比如将人脑类器官移植到小鼠体内，会不会让小鼠变得更聪明，从而培育出有人类思维或意识的动物？

伦理学家还有一种担心，这些培养皿中的迷你大脑会不会产生某种意识？目前，这种人脑类器官最大的直径约4毫米，只含有约200万至300万个细胞，而成年人的大脑体积约为1,350立方厘米，由8600亿个神经元和相似数量的非神经元细胞组成，因此大多数科学家都认为，这种大脑类器官基本不可能产生什么意识。

不过随着研究的深入，这种类器官会变得更大、结构更复杂、功能更强大，意识也可能随之而来。例如，美国加州大学圣地亚哥分校的阿里松·穆特里博士计划将人脑类器官与某些微型机器人结合，研究这些类器官能否控制机器人的运动。目前美国国立卫生研究院制定了禁止将人类干细胞植入其他动物大脑的指南，但还没有关于人脑类器官的规则。或许不久的将来，各国也将出台关于类器官技术的指南，进一步规划相关研究。

无论如何，人脑类器官已展现出巨大的应用潜力，科学家正在将其逐步完善，并推向应用，技术难题和伦理争议也就得到很好的解决，届时培养皿中的“迷你大脑”将发挥更大的作用。